S t r e s z c z e n i e
W publikacji omówiono problemy ekologiczne związane z emisją substancji toksycznych w trakcie eksploatacji górniczych napędów spalinowych.
Przedstawiono rozkład stęŜeń składników toksy- cznych w spalinach, uzyskany w trakcie badań stanowiskowych z uwzględnieniem stanu obciąŜenia silnika spalinowego. Dokonano zwięzłej analizy krajowych i zagranicznych wymagań dotyczących dopuszczalnych stęŜeń tych substancji na stanowisku pracy. Ponadto przedstawiono wyniki prowadzonych w ITG KOMAG badań górniczych napędów spalinowych z zakresu emisji substancji toksycznych.
S u m m a r y
Ecological problems associated with emission of toxic substances during operation of mine diesel drives are discussed. Distribution of concentration of toxic components in exhaust gases, obtained during stand tests and including load of diesel engine, is presented.
Short analysis of Polish and foreign requirements as regards permissible concentration of these substances at the workplace is given. Moreover, the transportowanego materiału wyróŜniamy: transport główny (transport urobku) oraz transport pomocniczy (transport materiałów i ludzi). Spośród wielu urządzeń transportu pomocniczego szczególne uznanie zyskały urządzenia napędzane silnikami spalinowymi. Wynika to z wielu czynników, do których przede wszystkim naleŜą:
− swoboda w prowadzeniu transportu (brak konieczności stosowania np.: drutu ślizgowego w przypadku lokomotyw elektrycznych, instalacji pneumatycznych, niezbędnych do napełniania zbiorników powietrza lokomotyw pneumatycznych czy liny ciągnącej w przypadku transportu linowego),
− moŜliwość instalowania duŜych mocy w maszy- nach, co przekłada się na duŜą siłę uciągu lokomotywy lub ciągnika,
− duŜa gęstość energii oraz krótki czas uzupełniania napędu paliwem energetycznym,
− stosunkowo bezpieczny i łatwy w transporcie nośnik energii w postaci oleju napędowego.
Napędy spalinowe posiadają jednak pewne wady związane z generowaniem hałasu oraz emisją ciepła i spalin do atmosfery kopalnianej, powodując tym samym potencjale zagroŜenie dla zdrowia pracujących załóg górniczych.
2. Zanieczyszczenia związane z pracą napędu spalinowego
W silniku spalinowym energia mechaniczna uzyskiwana jest w wyniku spalania mieszanki palnej
w komorze spalania. W przypadku silników tłokowych o zapłonie samoczynnym paliwem jest mieszanina ciekłych węglowodorów parafinowych, naftenowych i aromatycznych o średnim składzie C12,9H23,9 [11].
W celu otrzymania jak największej ilości energii cieplnej dąŜy się do jego spalenia całkowitego i zupełnego. Teoretyczne równanie spalania paliwa węglowodorowego przedstawia się następująco:
W rzeczywistości spalanie paliw składających się z róŜnych węglowodorów z tlenem wraz z pozostałymi gazami wchodzącymi w skład powietrza stanowi złoŜony proces fizykochemiczny, w którym niektóre cząstki mogą przekształcić się w aktywne rodniki tworząc w rezultacie pośrednie produkty spalania.
Reakcje spalania nie zachodzą w całości według teoretycznych równań równieŜ, ze względu na krótki czas przebywania oraz niejednorodność mieszanki paliwowej w całej objętości cylindra silnika. Dlatego teŜ zarówno proces spalania, jak i co za tym idzie, skład produktów utleniania będzie zaleŜeć od czynników oddziaływujących na szybkość reakcji (skład mieszanki, temperatura, ciśnienie), jak i parametrów konstrukcyjno-eksploatacyjnych (system spalania, kształt komory spalania, sposób sporządzania i dozowania mieszanki, obciąŜenie silnika itp.) [5].
Przykładowy skład spalin przedstawiono na rysunku 1.
Pomimo, Ŝe substancje szkodliwe zajmują ok. 1%
objętości spalin stanowią duŜe zagroŜenie dla zdrowia organizmów Ŝywych. Zasadniczymi substancjami toksycznymi są tlenek węgla CO, węglowodory HC, oraz tlenki azotu NOx.
Rys.1. Przykładowy skład gazów spalinowych silników o zapłonie samoczynnym [źródło: opracowanie własne]
Tlenek węgla jest jednym z produktów niezupełnego spalania. Powstaje on w wyniku niedoboru tlenu w mieszance paliwowej (mieszanka bogata λ < 1), ale równieŜ w mieszankach ubogich na skutek niewystarczającego zmieszania paliwa z powietrzem (miejscowo bogata mieszanka).
W wysokich temperaturach moŜliwa jest równieŜ dysocjacja dwutlenku węgla do tlenku węgla.
Obecność węglowodorów, drugiego z produktów niezupełnego lub niecałkowitego spalania w gazach spalinowych, jest wynikiem niedopalenia paliwa i podobnie, jak w przypadku CO ma miejsce szczególnie przy spalaniu mieszanek bogatych.
Ponadto w trakcie eksploatacji silników spalinowych węglowodory ulegają procesowi krakingu, pirolizy i koksowania. Reakcje te prowadzą do powstania
węglowodorów olefinowych zdolnych do polimeryzacji i cyklizacji. Mogą się wówczas tworzyć inne węglowodory, w tym równieŜ wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne włącznie z wysoce rakotwórczym benzo(a)piranem [12]. Źródłem węglo- wodorów są równieŜ oleje eksploatacyjne przedosta- jące się do komory spalania po gładziach cylindrów.
Zawarte w spalinach tlenki azotu są głównie produktami reakcji tlenu i azotu zawartego w powietrzu. Powstają w sprzyjających warunkach tj.
wysoka temperatura spalania oraz nadmiar powietrza.
W ramach badań górniczych napędów spalinowych prowadzonych w Komag-u badano skład spalin dla róŜnych punktów pracy określonych prędkością obrotową oraz momentem obrotowym [1, 2, 4]. Na rysunku 2 przedstawiono wyniki badań dla 81 kW silnika przy prędkości obrotowej 2300 obr/min oraz obciąŜeniu w zakresie 10 ÷ 100% maksymalnego momentu obrotowego.
Cechą charakterystyczną silników o zapłonie samoczynnym jest ich praca z duŜym współczynnikiem naddatku powietrza λ>>1, szczególnie w silnikach doładowanych, przy czym współczynnik λ nie jest stały w całym zakresie pracy, tak jak ma to miejsce w przypadku silników o zapłonie iskrowym. Jego wartość maleje wraz ze wzrostem obciąŜenia zbliŜając się do minimalnej wartości 1,5 (uzyskanej w badaniach) w przypadku obciąŜenia maksymalnym momentem obrotowym [4]. Wysoka wartość współczynnika λ
Rys.2. Przykładowe stęŜenie substancji szkodliwych w spalinach [źródło: opracowanie własne]
58 MASZYNY GÓRNICZE 4/2013 skutkuje niską zawartością produktów niecałkowitego
spalania w gazach spalinowych. Z przedstawionego na rysunku 2 wykresu moŜna zauwaŜyć, Ŝe zawartości CO i HC utrzymują się na stałym niskim poziomie i wzrastają nieznacznie w przypadku obciąŜenia przekraczającego 70%. Taka sama sytuacja dotyczy wartości stęŜenia cząstek stałych (PM), których pomiaru dokonano pośrednio, poprzez pomiar zadymienia według skali Boscha.
Na tle krzywych stęŜenia produktów niecałkowitego spalania wyraźnie zaznacza się stęŜenie tlenków azotu. StęŜenie NOx wzrasta wraz z obciąŜeniem i osiąga maksimum w punkcie maksymalnego momentu obrotowego. Dla pomiarów przestawionych na rysunku 2 wartość stęŜenia NOx sięgała wartości przekraczających 1100 ppm. Zdaniem autora moŜna wysunąć ogólny wniosek, Ŝe w przypadku stosowania nowoczesnych silników diesla w napędach górniczych, reprezentowanych przez badany silnik, największym zagroŜeniem dla środowiska kopalnianego, wynika- jącym z emisji gazów spalinowych, są tlenki azotu.
StęŜenie tlenku węgla oraz węglowodorów utrzymuje się na stosunkowo niskim poziomie.
3. Dopuszczalne stęŜenia tlenków azotu na stanowisku pracy
Dla substancji przenikających do organizmu przez drogi oddechowe opracowano wartości najwyŜszych dopuszczalnych stęŜeń na stanowisku pracy NDS.
Zgodnie z definicją najwyŜsze dopuszczalne stęŜenie - średnie waŜone, jest to takie stęŜenie, którego oddziaływanie na pracownika w ciągu 8-godzinnego dobowego i przeciętnego tygodniowego wymiaru czasu pracy, przez okres jego aktywności zawodowej nie powinno spowodować ujemnych zmian w jego stanie zdrowia oraz w stanie jego przyszłych pokoleń. Oprócz stęŜeń NDS określono równieŜ dopuszczalne stęŜenia chwilowe (NDSCH), które nie powinny spowodować ujemnych zmian w stanie zdrowia pracownika, jeŜeli występuje w środowisku pracy nie dłuŜej niŜ przez 15 minut i nie częściej niŜ dwa razy w czasie zmiany roboczej, w odstępach nie krótszych niŜ jedna godzina.
W tabeli 1 porównano wartości dopuszczalne NDS oraz NDSCH tlenków azotu w krajach EU, USA oraz Australii.
NajwyŜsze dopuszczalne stęŜenia tlenków azotu na stanowisku pracy [6, 7, 8, 9, 10]
Tabela 1
1. Dotyczy sumy tlenków azotu NOx.
2. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyŜszych dopuszczalnych stęŜeń i natęŜeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy.
3. Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 10 października 2005 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie najwyŜszych dopuszczalnych stęŜeń i natęŜeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy.
4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpoŜarowego w podziemnych zakładach górniczych.
5. The National Institute for Occupational Safety and Health.
6. The Occupational Safety and Health Administration.
Na mocy Rozporządzenia Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 29 listopada 2002 r., w sprawie najwyŜszych dopuszczalnych stęŜeń i natęŜeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy, określono wartości dopuszczalnych maksymalnych stęŜeń sumy tlenków azotu na stanowisku pracy na poziomie 5 mg/m3 dla NDS oraz 10 mg/m3 dla NDSCH. W przypadku zakładów górniczych wartości te reguluje równieŜ §187 p.2 Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpoŜarowego w podziemnych zakładach górniczych, w którym wartości NDS oraz NDSCH dla NO określono w wysokości odpowiednio 5 mg/m3 oraz 10 mg/m3, przy czym dla zakładów stosujących maszyny spalinowe wartości te określa się na podstawie stęŜenia dwutlenku azotu (§187 p.4).
Z uwagi na fakt, Ŝe toksyczność róŜnych tlenków azotu jest wyraźne róŜna (dwutlenek azotu jest kilkakrotnie bardziej toksyczny od tlenku azotu), Międzyresortowa Komisja ds. NajwyŜszych Dopuszczalnych StęŜeń i NatęŜeń Czynników Szkodliwych dla Zdrowia w Środowisku Pracy zarekomendowała nowe wartości NDS i NDSCH, wprowadzone rozporządzeniem z dnia 10 października 2005 r. [8]. Analizując powyŜsze zauwaŜyć moŜna, Ŝe obowiązujące obecnie dwa akty prawne określają róŜne zawartości stęŜeń dopuszczalnych na górniczych stanowiskach pracy (stęŜenia NO w [6] nie zostały wyłączone dla podziemnych zakładów górniczych tak jak ma to miejsce dla dwutlenku węgla). Porównując obowiązujące wartości stęŜeń dopuszczalnych z obowiązującymi w innych krajach zauwaŜyć moŜna, Ŝe w Polsce przepisy są znacznie bardziej restrykcyjne.
4. Metody ograniczania emisji tlenków azotu
W działaniach zmierzających do ograniczenia emisji tlenków azotu przez pracujące silniki spalinowe moŜemy wyróŜnić dwie grupy:
− działania w zakresie optymalizacji procesu spalania, poprzez zmiany konstrukcji komory spalania, procesu wtrysku paliwa, przygotowania oraz składu mieszanki paliwowej,
− działania w zakresie opracowania metod konwersji tlenków azotu na drodze układu wylotowego.
W zakresie metod obróbki spalin na drodze układu wylotowego na szczególną uwagę zasługują metody katalityczne, takie jak:
− SCR – Selective Catalytic Reduction - Selektywna redukcja katalityczna za pomocą wodnego roztworu mocznika; konwersja 65 - 90%,
− LNC – Lean NOx Catalyst - redukcja tlenków azotu (NOx) z wykorzystaniem węglowodorów (HC-SCR);
konwersja 10 - 50%,
− LNT – Lean NOx Traps - absorpcja tlenów azotu (NOx) wewnątrz katalizatora i ich okresowe usuwanie; konwersja 50 - 80%.
Największą skuteczność uzyskuje metoda selektywnej redukcji katalitycznej SCR, która polega na zastosowaniu dodatkowego czynnika (reagenta) wtryskiwanego do układu wylotowego przed reaktorem katalitycznym. Czynnik ten reagując z tlenkami azotu redukuje je do azotu (N2). Iniekcja reagenta, jakim jest wodny roztwór mocznika, następuje przed reaktorem katalitycznym, najczęściej zaraz za wylotem turbospręŜarki. Na rysunku 3 przedstawiono układ dozowania wodnego roztworu mocznika na przykładzie instalacji zabudowanej na ciągniku siodłowym.
Rys.3. Przykładowy układ dozowania wodnego roztworu mocznika [4]
60 MASZYNY GÓRNICZE 4/2013 Po iniekcji wodnego roztworu mocznika w pierwszej
kolejności następuje odparowanie wody. Następnie w trakcie przepływu przez układ wylotowy następują reakcje termolizy oraz hydrolizy jak poniŜej.
(NH2)2CO NH3 + HNCO termoliza (2) HNCO + H2O NH3 + CO2 hydroliza (3) Na powierzchni reaktora katalitycznego następuje redukcja tlenków azotu zawartych w spalinach według poniŜszej reakcji:
4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O (4) Ilość dozowanego czynnika redukcyjnego jest ściśle określana przez moduł sterujący na podstawie parametrów pracy silnika spalinowego. Na rysunku 4 przedstawiono rozmieszczenie podstawowych elementów instalacji SCR na przykładzie ciągnika siodłowego.
5. Badania skuteczności redukcji tlenków azotu metodą SCR
W celu określenia skuteczności metody konwersji tlenków azotu z wykorzystaniem selektywnej redukcji katalitycznej, jak równieŜ uzyskania informacji technicznych dotyczących moŜliwości jej aplikacji w górniczych napędach spalinowych, odpowiednio rozbudowano stanowisko badawcze napędów spalinowych. Stanowisko to wyposaŜone zostało w odpowiednio zaprojektowany na potrzeby badań układ wylotowy, uwzględniający elementy redukcji
tlenków azotu metodą SCR (rys. 5.). W skład tego układu wchodzą:
− zespół przygotowania reagenta, który pozwala na dozowanie czynnika pod dowolnym ciśnieniem, wpływając tym samym na przepływ jednostkowy oraz parametry geometryczne strugi oraz wielkość kropel,
− zespół wtrysku, którego regulowane płynnie parametry pracy (czas otwarcia, czas zamknięcia) pozwalają na dokładną regulację dawki reagenta,
− zespół reaktora SCR, który stanowi wymienny moduł układu.
Redukcję cząsteczek tlenków azotu przeprowadza się cząsteczkami amoniaku, który jest substancją toksyczną, dlatego bardzo waŜne jest dokładane określenie ilości dozowanego amoniaku tak, aby wszystkie cząsteczki weszły w reakcje. W przeciwnym wypadku moŜe dojść do tzw. ucieczek cząstek amoniaku (ammonia slip). Niezbędną ilość amoniaku moŜna określić po zbilansowaniu równania (4).
566 uwzględniając stęŜenie mocznika w wodzie wyznaczyć Rys.4. Przykładowe rozmieszczenie zespołów instalacji SCR [4]
moŜna współczynnik określający stosunek masy reagenta do masy tlenków azotu, który pozwala na określenie ilości dozowanego czynnika dla ustalonych punktów pracy (punkty pomiarowe cyklu badawczego).
Wyniki przeprowadzonych pomiarów stęŜeń tlenków azotu uzyskane w trakcie badań zilustrowano na rysunku 6. W trakcie badań dokonywano pomiarów stęŜeń substancji toksycznych przed i za reaktorem
Rys.5. SCR na stanowisku badawczym napędów spalinowych
Rys.6. Redukcja tlenków azotu w trakcie badań stanowiskowych [źródło: opracowanie własne]
62 MASZYNY GÓRNICZE 4/2013 katalitycznym. Po ustalenia parametrów pracy silnika
(prędkość obrotowa oraz moment obrotowy) rozpoczęto realizację dozowania reagenta. Następnie dokonano pomiarów stęŜenia NOx w spalinach.
NajwyŜsza skuteczność uzyskana została przy pracy silnika w granicach od 80% do 100% obciąŜenia.
Maksymalny stopień redukcji wyniósł w tym zakresie 96%. Wraz ze spadkiem obciąŜenia malała sprawność układu. PoniŜej 25% obciąŜenia nie zauwaŜono zmian w zawartości NOx przed i za katalizatorem. Przyczyn spadku sprawności układu wraz ze spadkiem obciąŜenia dopatrywać się moŜna z układzie wtrysku.
Dla niskich stęŜeń wejściowych wymagane było odpowiednio mniejsze natęŜenie przepływu czynnika, co z kolei wpływało na wydłuŜenie czasu zamknięcia wtryskiwacza, w efekcie czego struga czynnika nie była jednorodna. Powodowało to niewystarczające wymieszanie spalin z czynnikiem redukującym. Innym powodem mogła być zbyt niska temperatura spalin, która nie była w stanie doprowadzić do reakcji termo- i hydrolizy reagenta na odcinku wtryskiwacz-reaktor.
Analizując całościowo wyniki badań podkreślić naleŜy wysoką skuteczność tej metody pozwalającej, dla obciąŜeń powyŜej 25%, obniŜyć stęŜenie tlenków azotu średnio o 80%.
6. Podsumowanie
Działania zmierzające do podniesienia sprawności silników spalinowych, takie jak: wprowadzenie wtrysku bezpośredniego, zwiększanie ciśnienia w komorze spalania czy praca na ubogich mieszankach spalinowych nie są bez znaczenia dla składu wydzielanych spalin. Reakcje redukcji i utleniania są przeciwnymi reakcjami chemicznymi, dlatego szczególnie trudne jest jednoczesne uzyskanie niskich stęŜeń tlenków azotu i produktów niecałkowitego spalania CO, HC.
Wśród metod zmierzających do obniŜenia zawartości tlenków azotu w spalinach na szczególną uwagę zasługuje selektywna redukcja katalityczna.
Działając w obrębie układu wylotowego nie wpływa ona bezpośrednio na proces spalania mieszanki palnej. Przeprowadzone badania potwierdzają wysoką skuteczność tej metody, szczególnie w obszarze duŜych obciąŜeń silnika. Dostrzegalnym niebezpie-czeństwem związanym z wykorzystaniem amoniaku jako reagenta jest moŜliwość emisji z układu wylotowego części amoniaku nie biorącego udziału w reakcjach. Przepisy w tym zakresie dopuszczają maksymalną emisję amoniaku na poziomie 25 ppm [3].
Dlatego szczególnie waŜne jest odpowiednie przygotowanie oraz dozowanie substancji redukującej.
Literatura
1. Dobrzaniecki P., MęŜyk A.: Kształtowanie cech eksploatacyjnych górniczych pojazdów szynowych.
ITG KOMAG 2012.
2. Dobrzaniecki P.: Badania stanowiskowe górniczego napędu spalinowego. Maszyny Górnicze nr 2011 nr 4, str. 25-30.
3. Dyrektywa Komisji 2010/26/UE z dnia 31 marca 2010 r. zmieniająca dyrektywę 97/68/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie zbliŜenia ustawodawstw państw członkowskich odnoszących się do środków dotyczących ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych i pyłowych z silników spalinowych montowanych w maszynach samojezdnych nieporuszających się po drogach.
4. Kaczmarczyk K.: Dostosowanie silnika spalinowego do wymagań stawianych górniczym zespołom spalinowym. ITG KOMAG Gliwice 2013 (materiały nie publikowane).
5. Merkisz J.: Ekologiczne Aspekty stosowania silników spalinowych. WPP Poznań 1995.
6. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyŜszych dopuszczalnych stęŜeń i natęŜeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz. U. 2002 nr 217 poz. 1833 wraz ze zmianami).
7. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciw-poŜarowego w podziemnych zakładach górniczych (Dz. U. 2002 nr 139 poz. 1169 wraz ze zmianami).
8. Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 10 października 2005 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie najwyŜszych dopuszczalnych stęŜeń i natęŜeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy.
9. www.ciop.pl (20 sierpień 2013).
10. www.dguv.de (20 sierpień 2013).
11. www.itcimp.pwcr.wroc.pl (19 wrzesień 2013).
12. www.wiedzainfo.pl (19 wrzesień 2013).
Artykuł wpłynął do redakcji w listopadzie 2013 r.
dr inŜ. Magdalena ROZMUS Instytut Techniki Górniczej KOMAG